新型人工引雷专用火箭及其首次引雷实验结果

成功研制了一种新型的人工引雷专用火箭, 火箭箭体结构采用了新型复合材料, 质量轻, 并具有空中抛伞和放线功能。利用新型火箭和全新的雷电流及同步电磁场测量技术, 在2009年的山东人工引雷实验 (SHATLE2009) 中成功引发负极性云对地放电过程3次, 共包括6次大电流回击过程, 采用0.5 mΩ的大功率同轴分流器和宽带光纤传输技术测量到了0.1 μs时间分辨率的雷电流波形、以及距雷电通道30 m、60 m和480 m处的电磁场和6000 f/s的高速摄像观测资料。6次回击的电流峰值分布范围为11.2～16.3 kA, 几何平均值12.8 kA; 半峰值宽度为7.4～34.9 μs, 几何平均值21.6 μs; 10%～90%峰值的上升时间为0.5～1.4 μs, 几何平均值1.0 μs。成功的人工引发雷电实验证明新型引雷火箭安全性能好、可靠性高, 其成功研制为雷电物理过程和效应的研究, 以及雷电流波形资料的积累提供了重要的技术手段, 对制定具有我国自主知识产权的雷电防护标准等具有重要的应用价值。     

一次正地闪触发两个并发上行闪电的光电观测

广州高建筑物雷电观测站光电同步观测系统于2017年6月16日记录到一次峰值电流达+141 kA的单回击正地闪触发两个并发上行闪电过程。利用高速摄像、普通摄像和电场变化数据分析了触发型上行闪电的始发特征和机理。结果表明:正地闪回击后约0.8 ms内,在距正地闪接地点约3.9 km的广州塔（高600 m）和4.1 km的东塔（高530 m）分别有上行闪电始发。正地闪回击过程中和大量正电荷以及之后可能有云内负先导朝高塔方向快速伸展造成塔顶局部区域的电场发生突变是两个上行闪电激发的原因。两个上行闪电在353 ms内发生7次回击,其中6次在广州塔上,仅1次在东塔上,且广州塔回击峰值电流平均值（-21.4 kA）约为东塔回击峰值电流（-7.3 kA）的3倍,表明广州塔上行闪电通道可能比东塔上行闪电通道伸展至分布范围更广、电荷量（或电荷密度）更大的负电荷区。两个上行闪电先导的二维速率变化范围为9.4×104~1.8×106 m·s-1,平均值为6.9×105 m·s-1。     

基于自然闪电下的限压型SPD残压特征分析

选取2017年6月15日和7月8日的2次人工引雷试验人工触发闪电数据,对采集系统记录了2次有明显残压波形的数据进行分析,结果表明:2次人工触发闪电的平均回击雷电流幅值为11.00kA,平均雷电流波形10%~90%的上升时间为0.24μs,平均雷电流的半峰宽度为10.98μs,平均雷电流的回击波形10%~90%的上升陡度38.20GA/s。2次人工触发闪电的平均残压持续时间为387.1μs,残压峰值平均值为969.4V,残压平均值为759.6V。自然闪电通常具有多回击、回击间隔时间短、放电过程复杂多样等特点,有可能破坏SPD热稳定性,加速老化,甚至可能被击穿;而该试验中SPD没有被损坏,主要是因为:人工触发闪电造成架空线路近距离发生闪电感应,尽管SPD的残压值高,但是电流比较小,所以SPD承受的能量不大。     

人工触发闪电连续电流过程与M分量特征

在广州野外雷电试验基地,对2008年和2011年夏季人工触发闪电回击之后的14个连续电流过程和43个M分量的通道底部电流、电场变化和通道亮度进行了同步测量和分析。结果表明:M分量的电流、快慢电场变化和亮度变化波形均近似对称;触发闪电连续电流过程的持续时间、转移电荷量、电流平均值的几何平均值分别为22 ms,6.0 C和273 A;M分量的幅度、转移电荷量、半峰值宽度、上升时间、持续时间的几何平均值分别为409 A,205 mC,520 μs,305 μs和1.6 ms;连续电流持续时间与M分量的个数、相邻M分量之间的时间间隔均存在显著的正相关关系。     

广东野外雷电综合观测试验十年进展

雷电野外科学试验是认识雷电发生、发展物理过程及其致灾机理的重要途径,也是开展真实雷电电磁环境下雷电防护技术测试的重要方式。自2006年开始,中国气象科学研究院和广东省气象局在广州野外雷电试验基地,持续合作开展了雷电野外综合观测试验,在人工触发闪电和自然闪电物理过程及其雷电防护技术测试试验等方面取得了若干研究结果。十年期间共成功触发闪电94次,回击电流峰值最大值为42 kA,平均值为16 kA;分析给出了自然闪电预击穿过程电场变化脉冲特征类型和差异;观测发现高建筑物上行连接先导可达几百米甚至超过1 km,其发展速度可达106 m/s量级,下行先导与上行连接先导的连接呈多样性;雷电防护技术测试试验表明人工触发闪电近距离电磁场耦合在架空线路上的感应电压达到千伏量级,多回击、长连续电流和地电位抬升是造成浪涌保护器(SPD)损害的主要因素;闪电定位系统探测性能的评估结果显示粤港澳闪电定位系统的闪电和回击的探测效率分别为96%和89%,定位误差算术平均值为532 m,回击电流强度的估算值约为真实值的0.63倍。     

2011—2012年广州高建筑物雷电磁场特征统计

为研究不同高度的建筑物对雷电磁场的影响,对2011年7月—2012年8月广州高建筑物雷电观测试验中获取的雷电磁场波形数据进行统计分析,共选取击中14个高建筑物的40次雷电 (均为负极性雷电) 的磁场数据,结果表明:高建筑物对回击磁场峰值有增强作用,且建筑物越高对回击磁场峰值的增强作用越大,高度在200 m以上的建筑物上雷电首次回击磁场峰值的几何平均值是高度在200 m以下的建筑物上的2.4倍;高建筑物雷电回击的磁场波形呈多峰特征;观测到的20次击中200 m以下高建筑物的雷电中,有13次 (65%) 雷电首次回击的磁场波形出现后续峰值比初始峰值大的现象,击中200 m以上高建筑物的14次雷电中有8次 (57%) 出现该现象;40次高建筑物雷电中有22次 (55%) 为多回击雷电,135个回击间隔时间的几何平均值为69.1 ms, 多回击高建筑物雷电中有10次 (45%) 出现继后回击的磁场峰值大于首次回击磁场峰值的现象。     

地闪回击电流测量综述

地闪回击电流是雷电的一个重要特征参数。其测量数据的积累对于雷电防护技术的提高具有重要意义。目前国内外的雷电研究人员通过矮塔、高塔直接观测，人工引雷观测和电场电流关系反衍的方法对地闪回击电流进行了大量的观测研究，并取得了丰富的观测资料。观测表明，负地闪首次回击电流平均为30kA，继后回击电流平均12kA。正地闪回击电流平均为35kA，有时可达几百kA。不同地区地闪回击电流平均值略有不同。高塔测量是主要的雷电流参量直接测量方法，但不同高度测量的地闪回击电流无论峰值还是波形都存在一定的差异。人工引发闪电和自然闪电继后回击雷电流的测量结果较为一致。间接估测雷电流参数的方法随着地闪回击模式的发展将成为主要的方法之一。     

人工触发闪电电流及磁场变化特征对比

对2006年山东人工触发闪电实验中获取的一次传统触发闪电的电流及60 m处的磁感应强度变化波形对比分析的结果表明,Rogowski线圈和磁场测量系统记录到的波形很类似.这次闪电共包含两次回击,回击的时间间隔约为34 ms.两次回击的电流幅值很大,分别为41.6 kA和29.6 kA,在60 m处产生的磁感应强度变化分别为133μT和97μT,通过磁感应强度反演得到两次回击的电流分别为39.8 kA和29.1 kA,与Rogowski线圈的实测结果基本一致.另外,回击之前放电过程中仅出现了两个脉冲,利用所测磁感应强度反演得到两个脉冲对应的电流分别为2.11 kA和2.7 kA,与Rogowski线圈的实测结果2.1 kA和2.8 kA基本一致.     

大兴安岭林区负地闪电荷源的反演

在中国东北大兴安岭林区进行了基于全球定位系统(GPS)时间同步的闪电地面电场变化多站观测.利用2010年7月14日一次过境雷暴多站同步的闪电电场变化资料,采用非线性最小二乘拟合法对雷暴成熟阶段的15次负地闪(包含57次回击和8次连续电流过程)中和的电荷源进行了拟合.大兴安岭林区负地闪单次回击中和的电荷量平均为1.0C(范围为0.1-5.0C),20%的继后回击中和电荷量大于首次回击,继后回击与首次回击中和电荷量的比为0.1-6.1,平均为0.8±1.0.单次连续电流中和的电荷量平均为3.8C(范围为0.4-7.3C),连续电流期间通道中的平均电流估计为25.3A(范围4.9-50.8A),一次负地闪中和的总电荷量平均为6.4C(范围为1.4-12.4C).负地闪回击和连续电流中和电荷源的高度分布与雷暴云的发展有关,对应的环境温度为-10--25℃.在雷暴成熟阶段前期,负地闪回击和连续电流中和电荷源距地面的高度从5.0km缓慢上升至10.5km;在雷暴成熟阶段后期,负地闪回击和连续电流中和电荷源距地面的平均高度从9.0km下降到6.0km,单次回击中和的电荷量也较前期减小约一个量级.与雷达回波的叠加显示,负地闪回击和连续电流中和的电荷源主要位于大于40dBz的强对流中心区,部分位于30-40dBz的强回波区边缘或较弱的回波区.     

一次人工引发闪电初始电流及其电磁场变化特征

研制了近距离闪电磁场变化测量系统,并在2005年夏季山东滨州的人工引发闪电试验中,获得了闪电电流和距闪电通道60 m处的1μs时间分辨率的电磁场变化同步观测资料。本文详细分析了一次人工引发闪电放电初始阶段的电流及近距离电磁场。本次引发闪电中火箭拖带的导线底端通过一段5 m左右的尼龙线与引流杆相接,这段空气间隙击穿放电所产生的电流为720A,对应的60 m处电场和磁感应强度变化分别为0.38 kV/m和11.26μT。对同步资料的进一步分析表明,人工引发闪电上行正先导电流脉冲时间间隔为18.0~25.0μs,平均峰值电流为23.0A,变化范围为16.9~41.0A;单个先导过程转移电荷量的平均值为84.3μC,变化范围为57.8~141.0μC。60 m处先导电场峰值和磁感应强度峰值的平均值分别为16.7 V/m和0.3μT,变化范围分别为8.7~28.2V/m和0.116~0.544μT。先导电流峰值Ip(A)与其产生的磁感应强度峰值B(μT)之间满足Ip=61.9B 2.56。     

不同高度建筑物上的下行地闪回击特征

为了研究不同高度建筑物上发生的下行地闪回击特征差异,对2009—2012年广州高建筑物雷电观测试验中获取的能确认接地点高度的58次下行负极性地闪的综合同步观测资料进行对比分析。结果表明:接地点高度小于等于200m和接地点高度大于200m两类地闪的回击次数和回击间隔时间的差异不明显,但接地点高度大于200m的地闪的首次回击电流幅值、继后回击电流幅值、首次回击光强脉冲的10%~90%波前时间及10%波前~50%波后半宽时间、继后回击光强脉冲的10%~90%波前时间及10%波前~50%波后半宽时间的算术平均值 (几何平均值) 分别为接地点高度小于等于200 m地闪的1.8(2.1),1.5(1.4),7.4(7.4),3.1(3.4),4.6(4.3) 和2.4(3.6) 倍。     

Characteristics and simulation of lightning current waveforms during one artificially triggered lightning

In the summer of 2005, one negative lightning flash was artificially triggered in Shandong Province (117°48′ E, 37°42′N), middle latitude region of eastern China. The flash included 10 return strokes, and the geometric mean value of the current peak was 11.9 kA (the average value was 12.6 kA) with a maximum of 21.0 kA and a minimum of 6.6 kA, similar to the subsequent return strokes in natural lightning. The geometric mean value of half peak width was 39 μs (the average value was 40 μs), which was much larger than the usual result. Based on the Diendorfer and Uman (DU) model, the return-stroke current waveforms and charge distribution along the lightning channel are discussed. The simulated current waveforms, being divided into breakdown and corona current components, are in agreement with the optical measurements when the two different discharge time constants are properly chosen.     

基于人工引雷的粤港澳闪电定位系统性能评估

利用2014—2019年中国气象局雷电野外科学试验基地广州从化人工触发闪电试验所获资料,评估粤港澳闪电定位系统(Guangdong-Hongkong-Macau Lightning Location System,GHMLLS)性能,结果表明:GHMLLS对人工触发闪电和回击的探测效率分别为96%(48/50)和88%(233/265),回击位置定位误差的算术平均值、几何平均值和中值分别为279 m,193 m和202 m。对于触发闪电的回击过程,GHMLLS探测的回击电流峰值(I_LLS)全部偏低,与通道底部雷电流峰值的直接测量结果(I_DM)相比,I_LLS的相对偏差平均值(中值)为-37%(-36%),但I_LLS和I_DM相关系数为0.93,存在显著正相关关系(达到0.01显著性水平);截距为0的线性拟合结果表明I_LLS与I_DM存在65%的比例关系,利用该系数校正I_LLS,结果的相对偏差绝对值的平均值(中值)为15%(12%)。GHMLLS有对应定位记录的233次触发闪电回击中,16次定位结果为云闪,判别正确率为93%。被误判为云闪的回击的I_DM更低,可用于定位的站点数量更少,定位误差更大,I_LLS的精度更低。     

基于ADTD资料的浙江地区多回击地闪特征分析

利用2007-2018年浙江省ADTD闪电定位资料,分析了该地区多回击地闪分布及相关参数特征.结果表明:浙江省多回击地闪占总地闪的26.74％,其中正闪以单回击地闪为主;正、负闪平均回击数分别为1.04次和1.65次,最大回击数分别为5次和21次.回击数和地闪数存在较为一致的年际变化,正、负多回击地闪日变化分别呈多峰和...     

中国南北方雷暴及人工触发闪电电特性对比分析

通过对我国南北方雷暴及人工触发闪电电特性的对比分析，发现南北方雷暴及人工触发闪是电特性有很大差异。北方雷暴电荷结构呈三极性，人工触发闪电是在地面电场为正的情况下成功的。主要由连续电流和双极性电流脉冲组成，最大放电电流为１ｋＡ，中和电葆量只有几库仑；南方雷暴则为偶极性，触发闪电由连续电流和我次回击组成，电流峰值在于１０ｋＡ。触发闪电时地面电场均为负极性，其中在４ｋＶ／ｍ以上；触发高度在北方最低为２６     

一次多回击触发闪电全过程的连续干涉仪观测

基于自主研发的闪电连续干涉仪,对2019年6月11日在中国气象局雷电野外科学试验基地广州从化人工引雷试验场成功触发的一次多回击闪电放电全过程进行观测,结合通道底部电流数据和电场变化数据,共同揭示触发闪电全放电过程:连续干涉仪能够定位到最小为8 A的不连续的先驱电流脉冲辐射信号,初始先驱电流脉冲(IPCP)的平均转移电荷量约为先驱电流脉冲(PCP)的2倍;上行正先导连续发展后为初始连续电流(ICC)过程,最初正流光通道以105 m·s-1量级的速度继续发展延伸,之后出现反冲先导放电;在ICC阶段出现的经典M分量,可由向前的106 m·s-1量级速度的正流光(先导)产生,也可由已有通道头部产生的反冲先导产生,且整个M分量过程中,多个反冲先导维持了放电过程的持续;之后的回击间过程以反冲先导为主要放电形式,回击电流脉冲之前存在多次反冲先导过程,但多数未发展到接地通道,只处于企图先导阶段,直至成功的先导回击产生;而前两次回击具有超短的时间间隔,约为4.5 ms,这是由于两次回击前的先导来源于云内不同分支的反冲先导过程。     

触发闪电产生的地网地电位抬升及暂态效应

对2019年夏季广州市从化区3个雷暴过程中7次触发闪电过程的39次继后回击和10次M分量及其对应的地电位抬升(ground potential rise,GPR)电压数据进行统计分析。分析发现:39次继后回击对应的地电位抬升电压峰值几何平均值能达到-138.97 kV,且波形具有明显的次峰,次峰几何平均值为-90.09 kV,约为最大峰值的64.86%;继后回击引起的地电位抬升电压主要由雷电流泄放引起(相关系数为0.94),感应耦合作用相对较弱(相关系数为0.55),而M分量过程对应的地电位抬升电压则均由雷电流泄放引起(相关系数为0.99)。在雷电流瞬间冲击下,继后回击和M分量过程时的冲击接地电阻均小于工频接地电阻,M分量过程的冲击接地电阻平均值为12.02 Ω,继后回击过程为10.87 Ω。M分量半峰宽度可达毫秒量级,会使浪涌保护器长时间处于动作状态,极易引起浪涌保护器热崩溃损坏。